[发明专利]用于测量空间磁体二极磁矩的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁体二极磁矩的测量装置和测量方法，特别涉及一种用于大型空间磁体的二极磁矩的测量装置和测量方法。

背景技术

空间探测技术中，通常采用具有较高磁场的超导或永磁磁体。对空间反物质探测的大型永磁磁体的二极磁矩的测量和补偿技术对于其他的空间磁体同样具有重要的应用意义。空间磁探测的科学使命是寻找宇宙中的反物质和暗物质，并对宇宙中各种同位素的相对丰度和高能γ光子进行精确的测量。磁谱仪是粒子物理、核物理研究的关键设备，它可测量带电粒子在磁场中的偏转，得到带电粒子的电荷和能谱。磁谱仪对宇宙带电粒子的直接观测，开创一个全新的科学领域，带来粒子物理学的新突破。磁谱仪的关键部件是由永磁磁体或超导磁体组成的。目前的永磁体采用新型高磁能积钕铁硼(NdFeB)材料，内径1.1m，外径1.4m，长0.8m，磁钢净重约1.9吨，由按圆周分成扇形磁条，磁化方向各异的磁体条组成。这64种磁化方向的磁块，每种磁化方向角度依次相差11.25°。由于组成磁体各条磁体工作点的不同，使磁体有一个与主磁场方向相反的二极磁矩。寻找宇宙中的反物质和暗物质的空间磁探测的科学使命的需求，有可能使用运载火箭将磁体系统送入太空。由于永磁体和超导磁体使用卫星平台发射，卫星平台应该消除由二极磁矩(永磁磁谱仪大于7300Am²和超导磁体的二极磁矩大约27200Am²)带来的影响。但是由于卫星平台的质量较小，目前设计的磁体的二极磁矩产生的干扰力矩是卫星内外干扰力矩的1000倍以上。根据AMS卫星姿态的控制，为了消除磁体二极磁矩对于承载磁体的姿态和轨道控制的影响，卫星须要随带大约300kg的原料。因此磁体的二极磁矩问题对于磁谱仪在外空间的运行非常重要。基于最初的美国NASA设计的要求，使用航天飞机将磁体送达空间站，因此磁体的二极磁矩和地磁场的相互作用的力矩应该小于2.7N·m，如果在磁体运行的轨道上，地磁场的大小为0.5G，等效于对应的磁体的二极磁矩小于5.4×10⁴Am²。

二极磁矩的存在对于搭载磁体的卫星平台在外太空运行有很大影响，如果磁体的二极磁矩不为零，由于磁矩和地磁场之间的较强的相互作用力产生力矩，使得卫星在空间运动不可控制，因此对于二极磁矩的补偿显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提出一种永磁探测器空间磁体的二极磁矩的测量装置和测量方法。本发明测量装置和测量方法具有结构简单、对磁体的磁场分布影响较小等特点。

本发明采用在探测器磁体外安装永磁块，将其磁化方向和探测器磁体的磁场方向相反的技术方案，从而补偿二极磁矩到几乎为零，以便使卫星平台可承载这种磁体，实现卫星的姿态控制。

本发明采用的原理是：基于二极磁矩的定义，对于环形电流可以计算P＝Ids，式中：I是环的电流，ds是环的面积。任何永磁块可以使用一系列的电流环进行等效计算。空间磁体如果具有二极磁矩，当空间磁体处在均匀的外磁场中，二极磁矩和磁场的相互作用产生力矩，其力矩的大小可以使用下面的方程计算：是力矩，是二极磁矩，是磁场。因此，为了测量磁体的二极磁矩，只需要测量外加均匀磁场以及二极磁矩和外加均匀磁场之间的相互作用的力矩就可由公式可以直接得到均匀磁化的永磁块的二极磁矩可以使用下面的方程表示其中为磁化强度，单位为A/m，V为磁块体积，单位为m³。探测器永磁体和补偿磁块均由NdFeB永磁材料制作，相对磁导率μ_r≈1，可认为是线性材料。在对空间磁体(例如阿尔法磁谱仪(AMS)磁体)的二极磁矩补偿中可直接以数学加减处理，即可用永磁块产生的二极磁矩对空间磁体的二极磁矩进行反向抵消。

本发明用于空间磁体的二极磁矩的测量装置包括空间磁体、支撑杆、旋转架、吊杆、赫尔姆兹线圈、支承座、测力仪和固定架。在支承座上放置空间磁体，在空间磁体上方放置支撑杆，支撑杆上安装旋转架，旋转架通过吊杆将两个赫尔姆兹线圈吊在吊杆的两端，其中一个赫尔姆兹线圈连接测力仪，测力仪的另一端通过固定架固定。由于赫尔姆兹(Helmholtz)线圈产生的磁场和空间磁体的磁矩相互作用，产生旋转力矩。赫尔姆兹(Helmholtz)线圈受到旋转力矩作用，通过旋转架和吊杆使赫尔姆兹线圈在支承座承载支撑杆上旋转。通过测量Helmholtz线圈的转动力矩测量磁体的二极磁矩的大小。